Chương 1. Giới thiệu chung về hệ thống Hardware – In the – Loop (HIL) thủy lực và thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi 1. Hệ thống Hardware – In the – Loop (HIL) thủy lực Trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay, số lượng các sản phẩm, công nghệ mới ra đời ngày càng nhanh đòi hỏi công tác kiểm tra, thử nghiệm cũng phải phát triển với trình độ tương ứng. Đặc biệt đối với những ngành yêu cầu tính an toàn cao, chi phí sản xuất lớn như hàng không vũ trụ, hàng hải, chế tạo ô tô, giai đoạn mô phỏng thử nghiệm càng trở nên quan trọng.
Mô phỏng với độ trung thực càng cao càng giúp con người đánh giá chính xác khả năng đáp ứng của thiết kế, sản phẩm trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, phần lớn mô phỏng được sử dụng hiện nay là mô phỏng số chỉ chú trọng kiểm nghiệm tính toán lý thuyết ở điều kiện lý tưởng mà không cân nhắc đến các yếu tố nhiễu, các tương tác bất lợi của môi trường vận hành dẫn đến những hỏng hóc nghiêm trọng cho sản phẩm khi chạy thực nghiệm. Để khắc phục hạn chế nói trên, công nghệ mô phỏng Hardware - In the – Loop (HIL) đã được ra đời. HIL là phương pháp mô phỏng thời gian thực sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển.
Mô phỏng HIL cho thấy đáp ứng của bộ điều khiển trong thời gian thực, với các kích thích ảo thực tế, cung cấp cái nhìn tổng quan về những rủi ro tiềm tàng có thể mắc phải, từ đó giúp nhà thiết kế hoàn thiện, khắc phục sản phẩm trước khi cho vận hành. Phần lớn HIL hiện nay được vận hành bằng năng lượng thủy lực giúp hệ thống có khả năng tải lớn, đáp ứng được nhiều đối tượng mô phỏng khác nhau đi kèm với đó là một kết cấu tinh gọn và linh hoạt. Để tối ưu hiệu quả của năng lượng thủy lực trên hệ thống HIL, nhiều giải pháp điều khiển đã được đưa ra. Hầu hết các sản phẩm HIL thương mại lựa chọn điều khiển bằng van servo vì kết cấu gọn nhẹ và độ chính xác cao.
Tuy nhiên trong luận án này, tôi đề xuất một giải pháp điều khiển khác, đó 2 là hệ thống truyền động điện thủy lực (EHA – Electro-Hydrostatic Actuator). Đặc điểm chính của EHA là khả năng biến đổi tốc độ cao của động cơ điện thành tải lực lớn cho xy lanh. Ngoài ra, EHA cũng là một giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng cho hệ thống. Năm 2017, Chen và các cộng sự [1] đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống tái tạo năng lượng cho cần máy xúc thủy lực sử dụng mạch vòng kín EHA, kết quả là đã cải thiện hiệu suất làm việc của hệ thống từ 60% lên 68,2%.
Ở thời điểm hiện tại, EHA đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi và phát triển thành một sản phẩm thương mại. Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC - Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control) Tuy mang nhiều điểm ưu việt, EHA lại có các đặc tính phi tuyến và không ổn định [2]. Ngoài ra, khó có thể xác định được mô hình động lực học chính xác cho hệ thống này. Vậy nên đó sẽ là một thách thức lớn nếu ta muốn áp dụng các thuật toán điều khiển dạng mô hình chính xác cho EHA.
Nhiều giải pháp thay thế dã được cân nhắc. Một trong số chúng là thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi [3]. Vốn kết hợp các ưu điểm từ điều khiển chế độ trượt và điều khiển logic mờ, điều khiển mờ trượt thích nghi là một phương pháp điều khiển bền vững cho hệ phi tuyến, giúp hạn chế hiện tượng rung lắc (chattering) của kết cấu cơ khí [4] nhờ vào khả năng mờ hóa các tín hiệu điều khiển đầu vào và quan trọng là không yêu cầu phải nắm được chính xác mô hình toán học của đối tượng được điều khiển, qua đó cho phép tiếp cận thiết kế hệ thống điều khiển một cách trực quan [5]. Một số hệ thống HIL mô phỏng chuyển động nổi bật hiện nay HIL là một công nghệ mới đầy tiềm năng, đặc biệt thích hợp để ứng dụng trong mảng mô phỏng chuyển động vốn là cốt lõi của nhiều ngành công nghiệp trọng điểm hiện nay như sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, đóng tàu.
[6] Các hệ thống HIL dùng trong mô phỏng chuyển động rất đa dạng về chủng loại, kích thước nhưng phổ biến nhất vẫn là mô hình hexapod với chân đế cố định liên kết với một tấm nền dịch chuyển thông qua 6 trục truyền động song song. 3 Một số sản phẩm HIL mô phỏng chuyển động nổi bật trên thị trường hiện nay có thể kể đến như sau: 1. Mô hình HIL của hãng xe Toyota [7] Hình 1. Mô hình HIL của hãng Toyota Ưu điểm: Hệ thống mô phỏng buồng lái ô tô hình mái vòm có khả năng mô phỏng linh hoạt với tải trọng mô phỏng tối đa lên đến 78 tấn, phạm vi mô phỏng 19x41m.
Nhược điểm: Hệ thống cực kì phức tạp, cần diện tích lắp đặt lớn nên khó có thể ứng dụng đại trà, chi phí chế tạo rất tốn kém. Mô hình HIL VR5 của hãng Exsim [8] 4 Hình 1. Mô hình HIL VR5 của hãng Exsim Ưu điểm: Mô hình có kết cấu đơn giản, chi phí sản xuất thấp với cơ chế động cơ bước dẫn động trục vít. Nhược điểm: Hệ thống chỉ gồm 4 trục dẫn động nên bị hạn chế về số chuyển động có thể mô phỏng.
Cũng vì thế mà kết quả kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình không thể hiện đầy đủ tính khách quan. Mô hình HIL của hãng Olsen [9] 5 Hình 1. Mô hình HIL mô phỏng chuyển động của hãng Olsen Ưu điểm: Mô hình có kết cấu đơn giản, hệ thống 6 trục dẫn động có khả năng mô phỏng linh hoạt hầu hết số chuyển động của vật thể. Nhược điểm: Mô hình sử dụng cơ cấu truyền động vít me động cơ bước nên hiệu suất truyền động chưa cao và sẽ không phù hợp nếu cần ứng dụng mô phỏng cho các vật thể có khối lượng lớn.
Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Từ đánh giá ưu, nhược điểm của các sản phẩm HIL đã giới thiệu ở trên, tôi nhận thấy mô hình HIL với kết cấu 6 trục truyền động song song (hexapod) là cấu trúc tối ưu nhất giúp thể hiện linh hoạt các khả năng chuyển động của vật thể. Bên cạnh đó việc kết hợp với bộ truyền thủy lực đảm bảo cho hệ thống có khả năng thực hiện mô phỏng với tải lớn, qua đó có thể ứng dụng linh hoạt lên nhiều đôi tượng mô phỏng khác nhau. Vậy nên luận án sẽ tập trung vào nghiên cứu đối tượng là hệ thống HIL thủy lực kết cấu song song hexapod.
Mục tiêu nghiên cứu Tìm hiểu tổng quan về HIL dùng hệ thống truyền động thủy lực. Phân tích động học thuận và nghịch của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do. Mô hình hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do. Thiết kế hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi cho cơ cấu.
Mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do với hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi. Phạm vi nghiên cứu Luận án sẽ tập trung vào mô phỏng động lực học và bộ điều khiển của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do. KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA HỆ THỐNG HIL THỦY LỰC 2. Khái quát kết cấu cơ khí của hệ thống Hình 2.
Khái quát kết cấu cơ khí của mô hình HIL hexapod Kết cấu cơ khí của mô hình HIL hexapod thủy lực gồm phần đế cố định và phần nền tải di chuyển nhờ vào sự thay đổi độ dài của 6 xy lanh truyền động gắn song song được điều khiển bởi một bơm servo hai chiều thông qua mạch thủy lực vòng kín EHA. Các thành phần cơ khí chính của hệ thống 2. Bơm / Động cơ servo Bơm servo ở đây là loại bơm sử dụng động cơ servo AC [10]. Hệ thống bơm servo điều khiển vòng kín có khả năng đáp ứng nhanh về lưu lượng và áp suất với độ chính xác rất cao.
Động cơ servo AC của bơm cũng được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản của một động cơ điển hình: 8 Stator: phần quay sử dụng những nam châm vĩnh cửu có lực hút rất lớn bọc quanh trục. Rotor: phần tĩnh là tập hợp những vòng dây được gắn cố định trên lớp vỏ. Điểm khác biệt so với động cơ truyền thống là động cơ servo AC có thêm một linh kiện quan trọng được gọi là encoder – bộ mã hóa. Thành phần này đảm nhận nhiệm vụ ghi nhận - chuyển đổi tín hiệu quay của rotor thành các dạng tín hiệu khác phục vụ cho việc giám sát và điều khiển.
Động cơ servo AC và cấu tạo cơ bản của nó Nguyên lý hoạt động của động cơ servo Tương tự như động cơ điện, khi có dòng điện cấp vào sẽ sinh ra hiện tượng cảm ứng điện từ do tác động của từ trường bên trong các vòng dây và của nam châm vĩnh cửu. Từ đó tạo ra lực điện từ làm quay rotor. Tốc độ, vị trí, trạng thái hoạt động trước và trong quá trình hoạt động được Encoder ghi nhận, xử lý và gửi đến mạch điều khiển. Bộ phận này có chức năng thiết lập phương thức điều khiển, điều chỉnh những sai lệch bằng cách thay đổi những yếu tố đã để cập ở trên để đảm bảo động cơ servo hoạt động chính xác theo mong muốn của người sử dụng.
Ưu và nhược điểm của động cơ servo AC 9 Ưu điểm: độ chính xác rất cao, vận hành êm ái nhờ quán tính thấp, chịu được dòng điện lớn nên thích hợp ứng dụng trong công nghiệp. Nhược điểm: Tuy có nhiều điểm ưu việt, động cơ Servo AC lại yêu cầu các bước điều khiển khá phức tạp. Xy lanh thủy lực Xy lanh thủy lực [11] là thiết bị chấp hành quan trọng trong hệ thống thủy lực. Cụ thể, thiết bị này được sử dụng để chuyển đổi nguồn năng lượng của dầu, chất lỏng thủy lực thành động năng để tạo ra tải lực ở đầu cần, tác động nhằm thực hiện những nhiệm vụ như: kéo, đẩy, ép, nén, nghiền,.
Các xy lanh thủy lực được sử dụng trong hệ thống là loại xy lanh hai chiều bao gồm các bộ phận chính như sau: Quả piston: là chi tiết quan trọng nhất trong hệ thống, nó làm nhiệm vụ phân tách các vùng áp lực bên trong hệ thống xy lanh. Sự khác biệt về áp suất của hai bên thân piston sẽ làm ống giãn ra và co lại. Ống xy lanh: là bộ phận có hình trụ tròn liền mạch hay còn gọi là thùng xy lanh.